德克萨斯大学团队将机械能转换电能效率提升7倍以上,或可用于海浪发电及物联网器件供电

德克萨斯大学团队将机械能转换电能效率提升7倍以上,或可用于海浪发电及物联网器件供电
2022年05月17日 22:29 麻省理工科技评论

当前,全球对可再生能源的需求持续增长,大量将环境中的机械能转换为电能的研究不断涌现出来,并被广泛应用在各个领域,如利用海浪发电和为可穿戴及可植入器件供电等。

近日,由美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家领导的国际科研团队成功开发出多种方法大幅提升一种名为“Twistron”的碳纳米管发电纱线的性能,该纱线可在自身被拉伸或者扭转时产生电能。优化后的 Twistron 发电纱线在 1Hz 和 30Hz 状态下的峰值输出功率分别提升了 24 和 13 倍,且最大能量转换效率是之前的 7.2 倍。当前存在许多发展了数十年的其他类型机械能量采集技术,但该 Twistron 发电纱线的峰值输出功率在频率介于 0.1Hz 到 600Hz 之间时达到了这些技术的 12 倍以上。

相关论文以《更强大的 Twistron 碳纳米管发电纱线》(More powerful twistron carbon nanotube yarn mechanical energy harvesters)为题发表在 Advanced Materials上,美国德克萨斯大学达拉斯分校纳米技术研究所王重副研究员为第一作者,雷伊鲍曼(Ray H. Baughman)教授担任通讯作者 [1]

图 | 相关论文(来源:Advanced Materials

王重介绍道,Twistron 发电纱线是由许多碳纳米管构成的,具有类似于弹簧的螺旋卷绕结构。他们将成千上万的碳纳米管通过加捻的方式纺制成高强度、轻质的纱线,当这种纱线被拉伸时,其体积会变小,并诱导电化学电容减小,使得纱线上的电荷彼此靠近从而产生高电压,最终收获到电能。

图 | 王重副研究员和雷伊鲍曼教授(来源:王重)

据了解,该团队首次发现,Twistron 发电纱线的性能极大地受到碳纳米管排列取向以及碳纳米管之间相互作用的影响,并基于此认识开发了可大幅优化 Twistron 发电纱线性能的方法。

研究人员介绍,“这些方法包括优化碳纳米管前体阵列的排列取向、塑性拉伸前体加捻纱线、在预卷绕加捻期间施加比卷绕加捻时更高的拉伸应力、在应力下进行电热脉冲退火、以及包裹还原氧化石墨烯纳米片。” 通过这一系列改进方法,该团队使 Twistron 发电纱线的机械能收集能力获得极大提升。

图 | Twistron 发电纱线的制造、结构和表征(来源:

Advanced Materials)

据悉,此前该团队也曾采用电热脉冲退火手段来增强碳纳米纱线的机械性能。当时,他们得出,当高捻度纱线受到极高拉伸应力时,对其进行电热脉冲退火处理,会使该纱线的机械性能获得强度和模量上的双重提升。然而,这次他们又有了新的结论,即“当低捻度纱线处于相对较低的拉伸应力(34MPa)时,应用电热脉冲退火工艺,Twistron 发电纱线的性能会得到优化”。

图 | 拉伸应力下的电热脉冲退火工艺(来源:

Advanced Materials)

此外,研究人员发现,通过包裹石墨烯,将一维的碳纳米管间相互作用拓展到二维石墨烯与一维碳纳米管的相互作用,Twistron 发电纱线的输出功率获得了极大的提升。

研究人员称,“基于我们目前实现的平均输出功率,只需要 2 毫克的 Twistron 碳纳米管发电纱线便可以为物联网提供在一个长达 100 米半径范围内,每 10 秒钟传输 2 千字节数据包所需的电能” 。此外,该团队在实验测试中证明,其每次拉伸一根重量小于蚊子的 Twistron 碳纳米管纱线(~1mg)就足以点亮一个小型的 LED 灯。

图 | Twistron 发电纱线的输出功率与其他类型的机械能量采集技术的比较(来源:

Advanced Materials)

最后,该团队还把这些性能强大的 Twistron 发电纱线应用在一些收集拉伸和扭转机械能的实际场景中,如收集海浪能量发电、作为自供电应变传感器根据手部动作的变化进行手语识别。

在将改进的 Twistron 发电纱线应用于收集海浪能量时,研究人员在海水中测试了该纱线的可行性。他们观察到,改进的 Twistron 发电纱线能够达到 11.8Wkg

-1的平均输出功率,是在先前相同应变和频率下所获得的 7 倍以上。此外,研究人员还将 Twistron 发电纱线集成到类似于红酒架结构的器件中,结果发现,Twistron 发电纱线很容易实现大规模集成,且能够通过串联或并联实现任意电压或者电流的输出。

图 | Twistron 发电纱线的应用展示(来源:

Advanced Materials)

同时,Twistron 发电纱线还可用做自供电应变传感器。王重表示,当将 Twistron 纱线编织入智能手套时,根据输出电压可以很容易地对不同手部动作的变化进行手语识别,这表明其具有作为自给电手语传感器的潜力。

图 | Twistron 发电纱线用于手语识别(来源:

Advanced Materials)

不过,尽管 Twistron 碳纳米管发电纱线可以在较宽的频率范围内提供比现有技术高得多的输出功率密度,在其实现大规模应用之前仍然存在一个重要的问题,即现在市面上还没有一家公司能够提供公斤数量级的碳纳米管纱线上市销售。此外,研究人员指出,当应用于获取稀缺的机械能源时,还需要提高 Twistron 发电纱线的能量转换效率。

据了解,该团队的鲍曼教授在碳纳米材料、导电高分子材料、人工肌肉材料、储能以及能量转换器件等方面,均取得了许多科学成就;而在博士期间师从鲍曼教授的王重副研究员,主要从事的是高性能人工肌肉、能量收集与转换以及固态制冷器件的研究与开发。

目前,人们对于利用海洋能量发电来为城市供电,以及利用环境中的废弃能源和人体运动来为物联网及可穿戴可植入器件提供电力有很大的需求。未来,他们的 Twistron 发电纱线或能大规模应用于这些场景。

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